海洋平台结构设计的优化策略探讨

陈田辉

摘 要：海洋平台是为开发海洋资源而建立的海上生产场所，加强海洋平台的建设和结构优化，对海洋油气的安全开发、缓解资源匮乏具有重要意义。本文结合海洋平台的相关理论，对其结构设计优化策略进行探讨，旨在对促进海上安全生产有所帮助。

关键词：海洋平台；结构；优化；策略

1.海洋平台的结构类型及特点分析

自然资源是促进经济发展和社会进步的动力，海洋中蕴藏着丰富的金属矿产和油气资源，研究表明，海洋中的自然资源远远多于陆地，高效、科学地开发海洋资源、进行海上生产为缓解能源紧缺的现状开辟了道路。海洋平台是为进行海洋资源的开发和保护而建立的海上生产场所，按照功能可以将其划分为钻井平台、生产平台、储油平台等。从结构上来看，钻井平台主要包括坐底式、自升式和半潜式三种。坐底式钻井平台是一种可以移动的平台，由本体和下体两部分组成，是早期应用于浅水区的一种作业平台，根据工作情况本体和下体分别发挥不同的作用。自升式钻井平台可以自动升降，由一个上层平台和几个可以升降的桩组成，能够满足移动位置时浮性及稳性的要求，移位较为灵活方便，目前应用较为广泛。半潜式钻井平台大部分浮体沉没于水中，可移动、较稳定，这对海上安全生产具有重要意义。除钻井平台外，生产平台也是在海上油气开发中非常重要的一种设备，能够实现采油、贮存、油气处理等功能，可分为重力式采油平台、导管架式采油平臺等。经目前勘探研究发现，海洋中蕴含有大量的油气资源，加强海洋平台的建设和研究对促进资源的开发、改善我国资源匮乏的局面，进而提升我国的综合实力和国际地位具有非常重要的意义。

2.海洋平台结构优化的策略

2.1加强平台的极限承载能力及特殊结点强度分析

海洋平台的稳定、安全主要取决于结构设计的科学性，要做到科学化的结构设计首先要加强平台极限承载能力和特殊结点的强度分析。在对海洋平台的极限承载能力进行估计和计算的过程中，必须考虑平台工作时间、持久载荷、瞬时载荷的影响，这样才能求得科学的极限承载能力。海洋平台在结构上通常具有较大的柔度和较小的刚度，因而在工作环境较为恶劣的情况下（如恶劣天气、较大海浪冲击等）会发生结构破坏甚至倒塌等事故，因此海洋平台的极限承载能力能够有效反映平台结构的安全性和稳定性。除了要考虑平台最大承载能力外，还要考虑平台特殊部位的受力情况，因为平台不同结构位置的承载载荷具有较大差异，比如在桩柱处受力较大，在结构连接固定部位受力不均匀等。在正常工作环境下，海洋平台满载并且达到预定指标时的工作状态称为正常作业工况，对于结构设计的极限载荷及特殊结点的承载设计值必须高于正常作业工况下的承载能力。此外，大型打桩及整平装置工作时所引起的附加力和弯矩对平台稳定工作所造成的影响也是不容忽视的。加强海洋平台极限承载能力和特殊结点的强度分析是结构优化设计的基础，只有对平台进行正确的受力分析及载荷预测，才能在平台设计中选出合适的结构形式，进而提高平台的稳定性。

2.2利用平台有限元分析模型进行结构优化

有限元模型分析方法是在海洋平台模型建立中常用的一种结构设计方法，能够实现科学的受力分析、结构设计和运行模拟，对海洋平台的结构优化具有重要作用。在平台自存、升降以及正常的工作状况下，桩腿结构所受载荷与波浪力的大小及入射角度有关，在计算时需要采用相位角试算方法找到最不利的波浪载荷。首先要建立与载荷相关的有限元模型，根据平台建设的要求选择桩腿的布置及结构尺寸，利用相关软件模拟海洋波浪及风载作用时的平台状态，进而选出最佳的布置方案。其次，在模型中按照一定的顺序输入载荷方向及大小对其进行试算，并计算特殊结点上所对应的受力，进而选择适应结构要求的建材。海洋平台通常是在经过预压后的地基土上建设的，其承载力能够满足支撑平台的要求，故而在利用有限元法进行分析计算时通常不考虑海底基础的影响，将桩靴下半部功能结点作为铰支进行受力分析，以此来作为平台计算模型的边界条件。利用平台有限元分析模型进行结构优化主要是基于计算机软件来实现的，通过模型建立和运行能够实现平台的结构及受力分析，对特殊结点及特殊工作环境下的结构状态也能进行模拟计算，进而实现科学的结构设计和优化。

2.3考虑环境因素的结构优化设计

海洋平台的工作环境通常是复杂多变的，在进行结构设计和优化的过程中必须考虑环境因素的影响。平台所受的环境载荷主要有波浪载荷、风载荷、海流载荷等，其对平台的结构强度分析、安全性评价都有很大的影响。在海洋平台结构设计中，波浪载荷是对平台强度影响最大的一个方面，主要作用于平台水面及水下桩腿处，根据平台所处位置海浪特征正确估算载荷大小，进而进行科学的强度分析是结构优化设计的基础。利用设计波的高阶波理论能够引入海流的影响并对波浪力的非线性成分进行处理，进而更加贴近实际海洋环境下的工作状态。在平台结构优化设计过程中，应根据平台工作水深选择不同的波浪理论计算波浪载荷的大小。海流载荷是海洋中不同类型水体的合成流动对平台的作用力，海流的运动速度通常比较缓慢，对平台的作用也比较稳定，可以考虑为一个定载荷。此外，在平台结构设计中还必须考虑风载荷的影响，主要是根据风力和风向的大小进行载荷分析和结构优化。

3.总结

加强海洋平台的结构优化设计是海上安全生产的保障，对促进海上油气资源的开发具有重要意义。海洋平台的结构优化设计可以通过有限元模型分析方法实现，在保障安全的基础上提高效益，这也是海洋石油钻井和开发的主要研究方向之一。

参考文献

[1]刘登辉，高静坤.海洋平台总体设计的优化技术突破[J].中国石油和化工标准与质量，2012（11）.

[2]甘进.海上多功工作平台结构设计关键技术研究[C].武汉理工大学，2012（05）.

[3]谢维维，秦立成.波浪载荷作用下的导管架海洋平台结构优化研究[J].中国水运，2013（07）.